РОТОРНАЯ МАШИНА Российский патент 1999 года по МПК F01C1/08 F04C2/08 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может использоваться в качестве привода или нагнетателя в двигателях и технологических системах в промышленности и на транспорте.

Известна роторная машина, содержащая корпус, имеющий цилиндрическую рабочую камеру, сопряженную с ней вспомогательную камеру и размещенные в указанных камерах кинематически связанные между собой шестеренчатой передачей роторы. Один из роторов установлен в рабочей камере с зазором относительно ее цилиндрической стенки, образуя кольцевой рабочий канал, и оснащен перекрывающими рабочий канал равноотстоящими одна от другой двумя лопастями. Второй ротор установлен в сопряженной камере с перекрытием рабочего канала и в нем выполнены ответные лопастям выемки. Роторная машина имеет патрубки высокого и низкого давления для подвода и отвода рабочего тела, подключенные к рабочей камере в зонах ее сопряжения со вспомогательной камерой (см. патент США N 4747762, кл. 418/191, F 04 C 18/00, 29/00, 1988). Известная машина может использоваться только для работы с несжимаемыми жидкостями, что существенно ограничивает область ее применения.

Известна также роторная машина, содержащая корпус, имеющий цилиндрическую рабочую камеру, в которой установлены на одном валу два ротора с лопастями с возможностью поворота относительно друг друга, оснащенные дисками на противоположных торцах. В дисках выполнены отверстия, ориентированные определенным образом относительно лопастей и служащие для впуска и выпуска рабочего тела в рабочую камеру, а в торцевых стенках корпуса выполнены кольцевые и радиальные канавки, подключенные к золотникам, управляющим впуском и выпуском рабочего тела (см. патент РФ N 2003812, кл. F 01 C 1/00, 1993). В данной роторной машине лопасти одного из роторов в рабочей камере управляют переключением золотников на подачу или выпуск рабочего тела. Наличие большого количества подвижных относительно друг друга элементов усложняет конструкцию и требует очень точной подгонки роторов, чтобы уменьшить перетекание рабочего тела между их полостями.

Известна также роторная машина, содержащая корпус с цилиндрическими рабочей и сопряженными с ней вспомогательными камерами, и размещенные в указанных камерах кинематически связанные между собой через шестеренчатый редуктор ротор и колеса-разделители. Ротор установлен в рабочей камере с зазором относительно ее цилиндрической стенки, образуя кольцевой рабочий канал, и оснащен перекрывающими рабочий канал равноотстоящими одна от другой лопастями. Колеса-разделители установлены в сопряженных камерах с перекрытием рабочего канала и в них выполнены ответные лопастям выемки. Корпус имеет патрубки высокого и низкого давления для подвода и отвода рабочего тела, подключенные к рабочей камере в зонах ее сопряжения со вспомогательными камерами. Проемы для подачи и отвода рабочего тела выполнены в наружной цилиндрической стенке рабочей камеры (см. патент РФ N 2027862, кл. F 01 C 1/08, 1995). В известной конструкции для прекращения подачи рабочего тела (пара) в рабочий канал расстояние между смежными лопастями делают меньше расстояния между проемами для подачи и отвода рабочего тела, что приводит к нерациональному использованию объема рабочего канала, так как часть его постоянно исключена из работы. При этом уменьшается степень расширения (сжатия) рабочего тела, что снижает эффективность роторной машины. Поэтому данная роторная машина может эффективно использоваться только при работе на несжимаемом рабочем теле.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является роторная машина, содержащая корпус с цилиндрическими рабочей и сопряженными с ней вспомогательными камерами, ротор и колеса-разделители, размещенные в указанных камерах и кинематически связанные между собой. Машина имеет патрубки высокого и низкого давления для подвода и отвода рабочего тела, подключенные к рабочей камере в зонах сопряжения ее со вспомогательными камерами. Ротор установлен в рабочей камере с зазором относительно ее цилиндрической стенки, образуя кольцевой рабочий канал, и оснащен перекрывающими рабочий канал равноотстоящими одна от другой лопастями с эвольвентной боковой поверхностью. В сопряженных камерах колеса-разделители установлены с перекрытием рабочего канала и в них выполнены ответные лопастям выемки, а в цилиндрической стенке рабочего канала выполнен проем, к которому подключен патрубок низкого давления. В торцевых стенках рабочего канала в зонах, прилегающих к колесам-разделителям, выполнены канавки, обеспечивающие при вращении ротора перетекание рабочей жидкости из полости между напорной поверхностью лопасти и колесом-разделителем в полость за лопастью, предотвращая чрезмерное повышение давления в указанной полости при работе на несжимаемой жидкости (см. патент РФ N 2074987, кл. F 04 C 2/08, 1997). В данной конструкции для предотвращения прямого перетекания рабочей жидкости между патрубками высокого и низкого давления дуговое расстояние между лопастями ротора меньше соответствующего размера между окнами подвода и отвода рабочей жидкости. Данная конструкция рациональна при работе на несжимаемой жидкости, но не обеспечивает высокой эффективности при работе на паре, газах и продуктах сгорания высокого давления, так как не позволяет полностью использовать потенциальную энергию сжатого газа и пара.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание роторной машины (привода или нагнетателя), с более эффективным преобразованием потенциальной энергии рабочего тела высокого давления (газа или пара) в механическую работу или механической работы в потенциальную энергию газа высокого давления путем изоляции рабочего канала при расширении или сжатии рабочего тела от патрубков высокого и низкого давления без применения переключающих золотников и других подобных устройств для управления впуском и выпуском рабочего тела.

Поставленная техническая задача решается тем, что в роторной машине, содержащей корпус с цилиндрическими рабочей и сопряженными с ней вспомогательными камерами, ротор и колеса-разделители, размещенные в указанных камерах и кинематически связанные между собой, и патрубки высокого и низкого давления для подвода и отвода рабочего тела, подключенные к рабочей камере в зонах сопряжения ее со вспомогательными камерами, при этом ротор установлен в рабочей камере с зазором относительно ее цилиндрической стенки, образуя кольцевой рабочий канал, и оснащен перекрывающими рабочий канал равноотстоящими одна от другой лопастями с эвольвентной боковой поверхностью, в сопряженных камерах колеса-разделители установлены с перекрытием рабочего канала и в них выполнены ответные лопастям выемки, а в цилиндрической стенке рабочего канала выполнен проем, к которому подключен патрубок низкого давления, согласно изобретению, ротор с лопастями оснащен ограничивающими рабочий канал боковыми стенками, по крайней мере в одной из которых на участках, прилегающих к напорным поверхностям лопастей, выполнены окна, а в торцевых стенках рабочей камеры выполнены ответные проемы, к которым подключены патрубки высокого давления.

Кроме этого, указанные окна и проемы могут быть выполнены в плане в форме прямоугольной трапеции.

Целесообразно окна выполнить в обеих боковых стенках ротора напротив друг друга, а ответные им проемы выполнить в обеих торцевых стенках рабочей камеры и соединить между собой обводным каналом, охватывающим рабочий канал.

Каждая лопасть может быть выполнена в виде одиночного зуба, соединенного торцевыми поверхностями со стенками ротора.

Сущность изобретения заключается в том, что при наличии на роторе боковых стенок с окнами, прилегающими к напорным поверхностям лопастей, и ответных проемов в торцевых стенках рабочей камеры, к которым подключены патрубки высокого давления, при вращении указанного ротора окна в его боковых стенках кратковременно оказываются напротив проемов в торцевых стенках рабочей камеры, соединяя полость рабочего канала, прилегающую к напорной поверхности лопасти, с патрубком высокого давления и изолируя ее от указанного патрубка после перемещения окна за пределы проема. В зависимости от назначения роторной машины (привод или нагнетатель) рабочее тело в изолированной полости либо расширяется, производя работу, либо сжимается при подводе механической энергии к ротору. Степень расширения (сжатия) определяется длиной рабочего канала в окружном направлении и может широко изменяться, что позволяет более эффективно преобразовать потенциальную энергию рабочего тела высокого давления (газа или пара) в механическую работу или механическую работу в потенциальную энергию газа высокого давления, так как эффективность преобразования потенциальной энергии рабочего тела в механическую и наоборот зависит от степени расширения (сжатия) рабочего тела в роторной машине. При этом не требуется использование переключающих золотников и других подобных устройств для управления впуском и выпуском рабочего тела.

При указанной форме окон и проемов уменьшается длина участка рабочего канала, занятого проемом за счет использования участка торцевой стенки, расположенного между ротором и колесом-разделителем, что позволяет увеличить степень расширения (сжатия) рабочего тела в роторной машине.

Выполнение окон в обеих боковых стенках ротора напротив друг друга, и ответных им проемов в обеих торцевых стенках рабочей камеры с соединением проемов между собой обводным каналом, охватывающим рабочий канал, также позволяет увеличить степень расширения (сжатия) рабочего тела в роторной машине за счет уменьшения дуговых размеров окон и проемов.

Выполнение лопасти в виде одиночного зуба, соединенного торцевыми поверхностями со стенками ротора, делает конструкцию более технологичной.

Заявителю неизвестны роторные машины с указанной совокупностью существенных признаков и заявленная совокупность существенных признаков не вытекает явным образом из современного уровня техники, что подтверждает соответствие заявляемого изобретения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображена предлагаемая роторная машина, используемая в качестве привода, общий вид; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - сечение В-В на фиг. 1; на фиг. 5 - предлагаемая роторная машина, используемая в качестве нагнетателя, общий вид; на фиг. 6 - сечение Г-Г на фиг. 5.

Роторная машина содержит корпус 1 с цилиндрическими рабочей 2 и сопряженными с ней двумя вспомогательными камерами 3 и 4. В рабочей камере 2 с зазором относительно ее цилиндрической стенки 5 размещен ротор 6 с образованием рабочего канала 7. Ротор имеет две лопасти 8, перекрывающие рабочий канал, боковые стенки 9, ограничивающие рабочий канал, и выходной вал 10. Во вспомогательных камерах 3 и 4 размещены колеса-разделители 11 и 12, перекрывающие рабочий канал между боковыми стенками 9 и кинематически связанные шестеренчатой передачей 13 с выходным валом. В колесах-разделителях выполнены ответные лопастям 8 выемки 14. Каждая лопасть выполнена в виде одиночного зуба с эвольвентной боковой поверхностью, соединенного своими торцевыми поверхностями с боковыми стенками 9.

В одной из боковых стенок 9 на участках 15, прилегающих к напорным поверхностям 16 лопастей 8, выполнены окна 17 и 18. В торцевых стенках 19 рабочей камеры 2 выполнены ответные окнам 17 и 18 проемы 20 и 21, к которым подключены входные патрубки 22 высокого давления для подвода рабочего тела в рабочую камеру. Проемы 20 и 21 расположены в торцевой стенке рабочей камеры в зонах 23 сопряжения ее со вспомогательными камерами 3 и 4. Окна и проемы имеют в плане форму прямоугольной трапеции. Заостренная часть проемов расположена на участке торцевой стенки 19 между ротором и колесами-разделителями.

В цилиндрической стенке 5 рабочей камеры 2 выполнены проемы 24 и 25, к которым подключены патрубки 26 низкого давления для отвода отработавшего рабочего тела. Проемы 24 и 25 выходят непосредственно в рабочий канал 7, что позволяет поддерживать постоянное давление в полости рабочего канала, примыкающей к тыльной поверхности лопасти 8, препятствуя повышению давления в ней выше атмосферного. Между ротором 6 и колесами-разделителями 11 и 12 поддерживается минимальный зазор.

При использовании в качестве привода роторная машина работает следующим образом. Во входной патрубок 22 высокого давления подается рабочее тело, например, парогазовая смесь с высокой рабочей температурой. При совпадении окна 17 с проемом 20 парогазовая смесь поступает в рабочий канал 7 и заполняет полость между лопастью 8 и ротором 11. Под действием перепада давления лопасть перемещается в направлении выходного патрубка 26, поворачивая ротор 6. Одновременно с поворотом ротора 6 окно 17 перемещается относительно проема 20 и выходит за пределы указанного проема, отсекая рабочий канал 7 от входного патрубка 22. Поступившая в рабочий канал парогазовая смесь начинает расширяться, продолжая перемещать лопасть в направлении проема 24. Расширение парогазовой смеси продолжается до прохождения лопастью передней кромки проема 24. Затем парогазовая смесь начинает сбрасываться через проем 24 в выходной патрубок 26. Лопасть продолжает свое движение, входит в выемку 14 колеса-разделителя 12 и далее перемещается к следующему проему 21. Цикл повторяется. Аналогично работает и вторая лопасть 8. Мощность к потребителю отбирается с выходного вала 10.

На фиг. 5 и 6 проиллюстрирована возможность повышения степени сжатия при использовании роторной машины в качестве нагнетателя (или повышения степени расширения применительно к приводу). В этом исполнении в отличие от предыдущего примера в роторной машине в обеих боковых стенках 9 на участках 15, прилегающих к напорным поверхностям 16 лопастей 8, выполнены две пары окон 27 и 28, расположенных напротив друг друга. В торцевых стенках 19 рабочей камеры 2 выполнены ответные окнам 27 и 28 две пары расположенных напротив друг друга проемов 29 и 30. Каждая пара проемов соединена между собой обводным каналом 31, охватывающим рабочий канал 7 и подключена к выходному патрубку 32 высокого давления.

В цилиндрической стенке 5 рабочей камеры выполнены проемы 33 и 34, к которым подключены патрубки 35 низкого давления для подвода газа. Проемы 33 и 34 выходят непосредственно в рабочий канал 7, что позволяет поддерживать постоянное давление в полости рабочего канала, примыкающей к тыльной поверхности лопасти 8, препятствуя снижению давления в ней ниже атмосферного.

Роторная машина в качестве нагнетателя работает следующим образом. Исходное положение соответствует подаче газа высокого давления потребителю, когда окна 27 и 28 расположены напротив проемов 29 и 30. При вращении ротора окна 27 и 28 выходят за пределы проемов 29 и 30 и стенки 9 ротора отсекают полость рабочего канала от выходных патрубков 32 высокого давления. При дальнейшем вращении ротора лопасти 8 входят в выемки 14 колес-разделителей 11 и 12. Газ низкого давления через входные патрубки 35 и проемы 33 и 34 непрерывно поступает в рабочий канал, заполняя его полости между колесами-разделителями 11 и 12. Лопасти 8 выходят из выемок 14, перемещаются вдоль проемов 33 и 34 и по выходе за проемы отсекают полости рабочего канала между напорными поверхностями 16 лопастей и колесами-разделителями 11 и 12 от входных патрубков низкого давления. При дальнейшем перемещении лопастей 8 газ в указанных полостях сжимается до тех пор, пока окна 27 и 28 не достигнут соответственно проемов 30 и 29. Далее окна 27 и 28 перемещаются вдоль проемов 30 и 29 и газ высокого давления через указанные проемы и обводные трубопроводы 31 подается потребителю через выходные патрубки 32. Во время сжатия газа через проемы 33 и 34 в полости за лопастями все время поступает газ низкого давления, препятствуя снижению давления ниже давления во входных патрубках 35. Затем цикл сжатия повторяется.

Заявляемое изобретение может быть изготовлено промышленным способом с использованием современных материалов и технологий, что подтверждает его промышленную применимость.

Роторная машина может быть использована в качестве привода или нагнетателя в различных отраслях промышленности и на транспорте. Роторная машина содержит корпус с цилиндрическими рабочей и вспомогательными камерами, ротор и колеса-разделители. Ротор установлен в рабочей камере с зазором относительно ее цилиндрической стенки, образуя кольцевой рабочий канал, и оснащен перекрывающими рабочий канал равноотстоящими одна от другой лопастями. Колеса-разделители установлены во вспомогательных камерах с перекрытием рабочего канала и имеют ответные лопастям выемки. В цилиндрической стенке рабочего канала выполнен проем, к которому подключен патрубок низкого давления. Ротор снабжен ограничивающими рабочий канал боковыми стенками, по крайней мере в одной из которых на участках, прилегающих к напорным поверхностям лопастей, выполнены окна, а в торцевых стенках рабочей камеры выполнены ответные проемы, к которым подключены патрубки высокого давления. Технический результат от применения изобретения заключается в повышении степени расширения (сжатия) рабочего тела без использования в машине переключающих устройств. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Роторная машина, содержащая корпус с цилиндрическими рабочей и сопряженными с ней вспомогательными камерами, ротор и колеса-разделители, размещенные в указанных камерах и кинематически связанные между собой, и патрубки высокого и низкого давления для подвода и отвода рабочего тела, подключенные к рабочей камере в зонах сопряжения ее со вспомогательными камерами, при этом ротор установлен в рабочей камере с зазором относительно ее цилиндрической стенки, образуя кольцевой рабочий канал, и оснащен перекрывающими рабочий канал равноотстоящими одна от другой лопастями с эвольвентной боковой поверхностью, в сопряженных камерах колеса-разделители установлены с перекрытием рабочего канала и в них выполнены ответные лопастям выемки, а в цилиндрической стенке рабочего канала выполнен проем, к которому подключен патрубок низкого давления, отличающаяся тем, что в ней ротор оснащен ограничивающими рабочий канал боковыми стенками, по крайней мере в одной из которых на участках, прилегающих к напорным поверхностям лопастей, выполнены окна, а в торцевых стенках рабочей камеры выполнены ответные проемы, к которым подключены патрубки высокого давления. 2. Роторная машина по п.1, отличающаяся тем, что окна и проемы имеют в плане форму прямоугольной трапеции. 3. Роторная машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что окна выполнены в обеих боковых стенках ротора напротив друг друга, а ответные им проемы выполнены в обеих торцевых стенках рабочей камеры и соединены между собой обводным каналом, охватывающим рабочий канал. 4. Роторная машина по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что каждая лопасть выполнена в виде одиночного зуба, соединенного торцевыми поверхностями с боковыми стенками ротора.